-
Schaltung zur Erzeugung von Impulsen, deren Vorzeichen von der Richtung
der Änderung einer am Eingang der Schaltung liegenden Spannung abhängt Die Erfindung
betrifft eine Schaltung zur Erzeugung von Impulsen, deren Vorzeichen von der Richtung
der Änderung einer am Eingang der Schaltung liegenden Spannung und deren Größe von
der Größe der Änderung dieser Spannung abhängt.
-
Derartige Schaltungen benötigt man beispielsweise, um festzustellen,
ob die Ausgangsspannung eines Extremwertanzeigers, also eines Gerätes, das dann
eine maximale oder minimale Gleichspannung abgibt, wenn der Wert der diesem Gerät
zugeführten Größe gleich einem Sollwert ist, sich auf den Extremwert zu bewegt oder
von ihm entfernt. Eine steigende Spannung bedeutet beispielsweise dann, wenn der
Extremwert ein Maximum ist, immer einer Annäherung an den Extremwert. Entsprechend
bedeutet eine fallende Spannung dann, wenn der Extremwert ein Minimum ist, ebenfalls
ein Annähern der Spannung an den Extremwert. Mit den mit der eingangs erwähnten
Schaltung erzeugten Impulsen läßt sich eine Regelung beispielsweise auf den Extremwert
hin durchführen.
-
Schaltungen zur Erzeugung eines Kriteriums über die Richtung der Änderung
einer Spannung sind bekannt. Bei einem Teil der bekannten Schaltungen wird die anliegende
Spannung differenziert, wobei man aus dem Vorzeichen des Differentialquotienten
auf die Richtung der Änderung der Spannung schließen kann (S. 300 des Buches von
A. Feldbaum, »Rechengeräte in automatischen Systemen«, Oldenburg-Verlag, München,
1962). Die bekannten Schaltungen, bei denen der Differentialquotient bestimmt wird,
haben den Nachteil, daß der am Eingang liegenden Spannung überlagernde Störungen
mit höheren Frequenzanteilen in der Amplitude angehoben werden und zu einer Vorzeichenumkehr
führen können, obwohl auf Grund des Verlaufs der eigentlichen Spannung eine solche
Vorzeichenumkehr des Differentialquotienten nicht angebracht ist. Insbesondere bei
langsamen Vorgängen ist dies kritisch, weil Störungen mit höheren Frequenzen nur
sehr schwer ausgesiebt werden können.
-
Es ist auch eine Schaltung bekanntgeworden, bei der nicht der Differentialquotient,
sondern der Differenzenquotient gebildet wird. Diese bekannte Schaltung besteht
aus zwei Rechenverstärkern, in die mit Hilfe von Relaiskontakten in aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten die Eingangsspannung der Schaltung eingespeichert wird. In einem Differenzverstärker
werden dann die beiden Ausgangsspannungen der Rechenverstärker verglichen, und aus
dem Vergleich wird das gewünschte Kriterium gewonnen (S. 71 der Dissertation des
Herrn H. E i s -e 1 e an der TH Stuttgart, 1963, mit dem Titel »Untersuchungen über
die Selbstanpassung von Reglern in Regelkreisen mit veränderlichen Parametern«).
Diese bekannten Schaltungen sind in elektrischer Hinsicht vorteilhaft, da bei ihnen
kleine hochfrequente Störungen nur einen geringen Einfluß haben. Nachteilig an diesen
bekannten Schaltungen ist der relativ große Schaltungsaufwand, .denn es sind ein
Differenzverstärker, zwei hochwertige Rechenverstärker und einige Relais notwendig.
Wie später noch gezeigt werden wird, kann man diese Relais nicht durch Schalttransistoren
ersetzen, was ebenfalls äußerst nachteilig ist.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltung
zu schaffen, die bei ähnlich guten elektrischen Eigenschaften einen vergleichsweise
erheblich kleineren Aufwand benötigen.
-
Gemäß der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Schaltung
vorgeschlagen, die aus einer an die Eingangsklemmen angeschalteten Reihenschaltung
eines ersten Kondensators mit der Kapazität Cl, mit einem zweiten Kondensator mit
der Kapazität C2, die vorzugsweise kleiner als Cl ist, und mit einem Widerstand,
aus einem Schalter, mit dem die Enden der Reihenschaltung des zweiten Kondensators
mit der Kapazität C2 mit dem Widerstand miteinander verbunden werden können, sowie
aus Schaltmitteln besteht, die vorzugsweise periodisch ein Schließen dieses Schalters
bewirken, wobei der gewünschte Impuls an dem Widerstand abgegriffen wird.
-
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich ohne weiteres, daß der für
die erfindungsgemäße Schaltung notwendige Aufwand sehr gering ist. Im Vergleich
zu der vorn erläuterten Schaltung, bei der der Differenzenquotient gebildet wird,
ist an Stelle von wenigstens zwei Relais nur ein einziger Schalter notwendig.
Da
dieser Schalter einseitig geerdet werden kann, kann er durch einen Transistor realisiert
werden. Nicht einseitig geerdete Transistorschalter müssen über Übertrager angesteuert
werden, deren Hauptinduktivität bei sehr großen Schaltzeiten zu groß werden müßte.
Aus diesem Grunde sind bei der bekannten Schaltung Transistorschalter nicht ersetzbar.
Wie bereits oben erwähnt, entfallen die hochwertigen Rechenverstärker und auch der
Differenzverstärker, und es wird gegebenenfalls lediglich ein einfacher Impulsverstärker
benötigt.
-
Bei der bekannten Schaltung werden die Spannungen in den Rechenverstärkern
gespeichert und dann miteinander verglichen. Geringe Entladungen der Speicher durch
Verlustströme können hier zu Fehlern führen, wenn die Differenz zwischen zwei nahezu
gleichen Größen gebildet werden muß. Demgegenüber können sich geringe Verlustströme
bei der erfindungsgemäßen Schaltung auf das Vorzeichen der erzeugten Spannungsimpulse
nicht auswirken.
-
Es hat sich als günstig erwiesen, die Öffnungszeit des Schalters groß
im Vergleich zu den Schließzeiten zu machen. Das Verhältnis dieser Zeitspannen kann
beispielsweise 10:1 sein. Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, die Kapazität
Cl des ersten Kondensators sehr viel größer als die Kapazität C2 des zweiten Kondensators
zu machen.
-
An Hand der F i g. 1 und 2 soll das Entstehen der Impulse bei der
erfindungsgemäßen Schaltung erläutert werden. In der F i g. 1 ist die erfindungsgemäße
Schaltung dargestellt. Der erste Kondensator mit der Kapazität Cl trägt das Bezugszeichen
1, der zweite Kondensator mit der Kapazität C2 ist mit 2 bezeichnet, und der Widerstand
weist das Bezugszeichen 3 auf. Alle drei Bauelemente liegen bezüglich der Eingangsklemmen
4 und 5 der Schaltung in Reihe. Mit dem Schalter 6 ist es möglich, die Enden der
aus dem Kondensator 2 und dem Widerstand 3 bestehenden Reihenschaltung miteinander
zu verbinden. Die gewünschten Spannungsimpulse werden an den Klemmen 7 und 8 ausgekoppelt.
Die periodische Schließung des Schalters 6, der, wie bereits erwähnt, als Transistorschalter
ausgebildet sein kann, kann beispielsweise durch :einen nicht dargestellten astabilen
Multivibrator bewirkt werden, dessen Zeitkonstanten derart gewählt sind, daß der
Schalter 6 im Vergleich zu den Öffnungszeiten nur kurzzeitig geschlossen wird. Wie
bereits erwähnt, ist es günstig, wenn die Kapazität Cl des Kondensators 1 ein Mehrfaches
der Kapazität C2 ist. Es sei angenommen, daß Cl gleich n - C2 ist.
-
In dem Augenblick, wo der Schalter 6 geschlossen wird, entsteht am
Ausgang 7, 8 der Schaltung ein Impuls uA, der nach Betrag und Vorzeichen von der
Änderung d U der Eingangsspannung während der vorhergehenden Öffnungszeit
abhängt, und zwar ist der Betrag proportional der Änderung.
-
Die weitere Betrachtung soll bei geschlossenem Schalter 6 beginnen.
Die Eingangsspannung uE soll dabei zunächst unveränderlich gleich U, angenommen
werden. Der Kondensator 1 ist dann auf die Spannung u1 = Uo aufgeladen. Wenn der
Schalter 6 eine genügend lange Zeit geschlossen ist, dann hat sich der Kondensator
2 über den Widerstand 3 entladen, und die Spannung u2 am Kondensator 2 ist gleich
Null. In diesem stationären Zustand fließt über den Schalter 6 kein Strom. Der Schalter
6 kann also geöffnet werden, ohne daß sich am Ladezustand der Kondensatoren 1 und
2 der Schaltung etwas ändert. Der Kondensator 1 bleibt also auf die Spannung U,
aufgeladen, während der Kondensator 2 entladen bleibt, solange sich die Eingangsspannung
nicht ändert.
-
Ändert sich die Eingangsspannung uE sehr langsam gegenüber der Zeitkonstanten
des aus den Kondensatoren 1 und 2 und dem Widerstand 3 gebildeten RC-Gliedes, dann
ist auch der Ladestrom für die Kondensatoren sehr klein, und die Ausgangsspannung
uA am Widerstand R bleibt vernachlässigbar gering. Bei stärkerer Änderung der Eingangsspannung
uE um den Wert d U verteilt sich entsprechend dem kapazitiven Teilerverhältnis der
Spannungswert d U auf die beiden Kondensatoren 1 und 2. Der Kondensator 1
wird unter Voraussetzung, daß Cl = ist, auf die Spannung
und der Kondensator 2 auf die Spannung
aufgeladen. Wird jetzt zum Zeitpunkt t = t2 der Schalter 6 geschlossen, dann entlädt
sich der auf die Spannung u2 aufgeladene Kondensator 2 über den Widerstand R, und
es entsteht der abklingende Ausgangsimpuls
Dieser Ausdruck gilt für t = < t2. Hierin bedeutet R der Widerstandswert
des Widerstandes 3. Man erkennt aus dieser Gleichung, daß ein negativer Impuls uA
entsteht, wenn sich die Eingangsspannung in der vorhergehenden Öffnungszeit erhöht
hat, während ein positiver Impuls uA dann entsteht, wenn sich die Eingangsspannung
der Schaltung verkleinert.
-
In der F i g. 2 der Zeichnung sind die einzelnen Spannungsverläufe
innerhalb der Schaltung graphisch dargestellt. Es ist hier angenommen, daß im Zeitraum
0 bis t1 die am Eingang der Schaltung liegende Spannung ur. konstant und gleich
U, ist. In diesem Zeitraum ist die Spannung u1 ebenfalls U., und die Spannung u2
ist 0. Oberhalb der Spannungsverläufe ist angedeutet, daß in dem Zeitraum t1 bis
t2 der Schalter 6 geöffnet ist. In diesem Zeitraum erhöht sich nun die Eingangsspannung
auf den Wert U, -f- d U. Damit erhöht sich die Spannung u1 auf den Wert
und die Spannung u2 auf den Wert
Im Zeitpunkt t2 wird, wie ebenfalls oberhalb der Spannungsverläufe angedeutet, der
Schalter 6 geschlossen. Man erhält hierdurch einen negativ gehenden Spannungsimpuls
uA = -u2. Zum Zeitpunkt t. ist dieser Impuls weitgehend abgeklungen. Der
Schalter 6 wird für den Zeitraum t3 bis t4 wieder geöffnet. In diesem Zeitraum erniedrigt
sich die Eingangsspannung
uE der Schaltung, und zwar um denselben
Betrag, um den sie sich in dem Zeitraum t1 bis t2 erhöht hatte. Man erhält auf Grund
der Verringerung der Eingangsspannung eine negativ verlaufende Spannung u2 und beim
erneuten Schließendes Schalters 6 zum Zeitpunkt t4 einen positiven Ausgangsimpuls,
dessen Größe der Größe des Impulses zum Zeitpunkt t2 entspricht.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung liefert also an ihrem Ausgang Spannungsimpulse,
deren Größe und Polarität von den Änderungen der an den Eingangsklemmen anliegenden
Spannung abhängig sind. Wie bereits erwähnt, wird die periodische Schließung des
Schalters 6 beispielsweise durch einen astabilen Multivibrator bewirkt, dessen Zeitkonstanten
entsprechend bemessen sind. Günstigerweise verwendet man als Schalter 6 einen Transistorschalter.
-
Im Zusammenhang mit der F i g. 3 soll ein Anwendungsbeispiel für die
erfindungsgemäße Schaltung aufgezeigt werden. In der F i g. 3 ist mit 9 eilt Klystronoszillator
bezeichnet, der auf einer sehr hohen Frequenz schwingen soll. Dieser Klystronoszillator
soll in seiner Frequenz gegenüber Temperatureinflüssen stabilisiert werden. Eine
Beeinflussung der Frequenz des Klystronoszillators ist durch Änderungen der Abmessungen
des Hohlraumresonators möglich. Da Diskriminatoren für sehr hohe Frequenzen teuer
sind, wird bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Regelspannung
in anderer Weise erzeugt. Die Klystronfrequenz wird hier einem Wellenmesser 10 zugeführt,
der auf die Sollfrequenz des Klystrons 9 eingestellt ist. Bekanntlich gibt dieser
Wellenmesser bei Übereinstimmung der zugeführten Frequenz mit der an ihm eingestellten
Frequenz eine maximale Gleichspannung ab. Diese Gleichspannung wird im Verstärker
11 verstärkt und dann dem Eingang der -erfindungsgemäßen Schaltung 12 zugeführt.
Die Umschaltung des Schalters 6 der erfindungsgemäßen Schaltung 12 wird durch
den astabilen Multivibrator 13 bewirkt. Die Ausgangsimpulse der erfindungsgemäßen
Schaltung werden im Verstärker 14 verstärkt und dann einem bistabilen Multivibrator
15 zugeführt. Dieser bistabile Multivibrator spricht lediglich auf die positiven
Ausgangsimpulse der Schaltung 12 an; er wird also nur durch diese Impulse
in die andere stabile Lage gebracht. Gemäß dem oben Erläuterten wird also der bistabile
Multivibrator nur dann in die andere stabile Lage gebracht, wenn sich die Spannung
am Eingang der Schaltung 12 verringert. Die Ausgangsspannung des bistabilen Multivibrators
wird nach Durchgang durch ein Integrierglied 18 dazu benutzt, den über einen Verstärker
16 einer Heizwicklung 17 zugeführten Strom je nach Stellung des bistabilen Multivibrators
15 zu vergrößern oder zu verkleinern. Mit Hilfe der Heizwicklung werden die Abmessungen
des Resonatorraumes des Klystrons 9 verändert. Es wird mit der in F i g. 3 dargestellten
Anordnung als eine Frequenzregelung durchgeführt.